Z-半导体敏感元件原理与应用一

Z-半导体敏感元件原理与应用一（精选2篇）

篇1：Z-半导体敏感元件原理与应用一

The Review of Z-elements--―the Photosensitive Z-element ,

Magnetosensitive Z-element and their Application

Abstract: The photosensitive Z-element and magnetosensitive Z-element are introduced in this paper with their voltage and current characteristics, typical

circuits, designing methods and application examples. The paper is a reference when user

make use of the Z-element to design measuring system.

Keywords:Z-elements, Photo sensitive, Magnetosensitive,

作者简介

王建林：哈尔滨诺威克传感技术公司高级工程师，

地址：哈尔滨市南岗区美顺街38号（150090），电话：2333284

篇2：Z-半导体敏感元件原理与应用

光敏Z-元件是Z-半导体敏感元件产品系列中[3]重要品种之一。它具有与温敏Z-元件相似的伏安特性, 该元件也具有应用电路极其简单、体积小、输出幅值大、灵敏度高、功耗低、抗干扰能力强等特点。能提供模拟、开关和脉冲频率三种输出信号供用户选择。用它开发出的三端数字传感器, 不需要前置放大器、A/D或V/F变换器, 就能与计算机直接通讯。该元件的技术参数符合QJ/HN002-1998的有关规定。

磁敏Z-元件是Z-半导体敏感元件产品系列中第三个重要品种。它具有与温敏Z-元件相似的伏安特性, 该元件体积小, 应用电路极其简单, 在磁场的作用下, 能输出模拟信号、开关信号和脉冲频率信号, 而且输出信号的幅值大、灵敏度高、抗干扰能力强。

光敏、磁敏Z-元件及其三端数字传感器, 通过光、磁的作用, 可实现对物理参数的测量、控制与报警。

2 光敏Z-元件及其技术参数

2.1 光敏Z-元件的结构、电路符号及命名方法

光敏Z-元件是一种经过重掺杂而形成的特种PN结, 是一种正、反向伏安特性不对称的两端有源元件。

该元件的命名方法分国内与国际两种

响应波长代号:

1-0.4~1.2mm

2-0.2~1.2mm。

2.2 光敏Z-元件的伏安特性曲线

图1 (d) 为光敏Z-元件的的伏安特性曲线。在第一象限, OP段M1区为高阻区 (几十千欧~几百千欧) 。pf段M2区为负阻区, fm段M3区为低阻区 (几十千欧~几百千欧) 。其中Vth叫阈值电压, 表示在T (℃) 时Z-元件两端电压的最大值。Ith叫阈值电流, 是Z-元件与Vth对应的电流。Vf叫导通电压, 是M3区电压的最小值。If叫导通电流, 是对应Vf的电流, 也是M3区电流的最小值。在第三象限为反向特性, 反向电流IR是在无光照时反向电压VR为25V时测量的, 其值 (微安级) 很小。

3 光敏Z-元件的光敏特性

3.1 无光照时光敏Z-元件正、反向伏安特性的测量

用遮光罩把光敏Z-元件罩上, 即在无光照的情况下, 利用图1 (c) 特性测量电路测量其正、反向伏安特性, 测量电路与方法与温敏Z-元件相同。

3.2 光敏Z-元件正向光敏特性

把Z-元件接在正向特性测量电路上, Z-元件放置在可变照度的光场中。测量时照度由小到大, 每次递增100lx, 用数字照度计校准, 然后测量Z-元件的正向特性, 记录不同照度时的Vth、Ith、Vf。从测试可知, 光敏Z-元件的阈值点P (Vth, Ith) 随着照度的增加, 一直向左偏上方向移动如图2 (a) , Vth随光照增加而增大, Vf变化较小。Vth、Ith与照度L的关系参看图3。

3.3 光敏Z-元件反向光敏特性

把Z-元件连接在反向特性测量电路中, 并把Z-元件置于可变光场中。改变光场照度, 用数字照度计校准, 测量其反向特性, 即反向电压VR与反向电流IR的关系。其特性如图2 (b) 。可以看出其反向电阻随照度增加而减小, 反向电流随光照增强而变大。

4 光敏Z-元件的应用电路

光敏Z-元件有与温敏Z-元件相似的正、反向伏安特性, 温敏Z-元件的应用电路, 在理论上都适用于光敏Z-元件。考虑到光敏Z-元件的Vth、Ith、IR有一定的温漂, 因此在光开关电路中, 应当有抗温度干扰的余量, 在模拟应用电路中, 应采用具有抗温漂自动补偿电路。

4.1 M1→M3转换, 输出负阶跃开关信号电路

负阶跃开关信号输出电路示于图4 (a) , 工作过程的图解示于图4 (b) 。在无光照时, OP1为光敏Z-元件M1区特性, 阈值点为P1 (Vth1, Ith1) , E为电源电压, 以负载电阻值RL和电源电压E确定的直线 (E, E/RL) 交电压轴为E, 交电流轴为E/RL。Q1为无光照时的工作点其坐标为Q1 (VZ1, IZ1) , 输出电压VO1=VZ1=E-IZ1RL。我们选择合适的电路参数, 使在照度为E2时, 阈值点P1移至P2, 并刚好在直线 (E, E/RL) 上, 这时Q2与P2重合。光敏Z-元件开始进入了负阻M2区, Q2点在几微秒之内即达到了f点, 其坐标为f (Vf, If) 。此时输出电压为VO2=VOL=Vf, 输出端输出一个负阶跃开关信号。为了得到一个负阶跃开关信号, 在照度为L2时, 工作点Q2与阈值点Vth2重合, 电路中各参数必须满足的条件可用下述状态方程描述:

其中, 负载电阻值RL一般为1~2k W, 选择原则是, 当在照度L2时, Z-元件工作在M3区, 工作点Q2的电压为VZ2=Vf, 电流为IZ2=If, 电压与电流之积为Vf If=P, 并且P≤PM≤50m W。即在功耗不大于50m W的情况下, 选择较小的RL, 这个开关信号的振幅为DVO:

4.2 反向应用输出模拟电压信号

Z-元件反向电流极小, 呈现一个高电阻 (1~6MW) , 这个电阻具有负的光照系数, 并在较高电压 (30~40V) 下, 不发生击穿现象。图5为反向应用电路及工作状态解析图。可以看出在无光照时, L1=0, 工作点为Q1 (VZ1, IZ1) , 输出电压为VO1, 则:

当光照为L2时, 伏安特性上移, 工作点由Q1移至Q2 (VZ2, IZ2) , 输出电压为VO2, 则:

反向光电压灵敏度用SR (m V100lx) /表示:

4.3 M1→M3, M3→M1相互转换, 输出脉冲频率信号

该电路仅需三个元件, 用一个小电容器与Z-元件并联, 再串联一负载电阻RL, 即可构成光频转换器, 如图6所示, 达到了用光敏Z-元件实现光控脉冲频率的目的。与温敏Z-元件脉冲频率电路相同, 在无光照时, 电源通过RL对电容器充电, 当VC

从式 (4) 可以看出, 光照越强, Vth越小, 而Vf基本不变, 因而频率上升的越高。在弱光和强光下, Vth灵敏度较低, 所以频率灵敏度也较低, 在300~1000lx有较高频率灵敏度。RL值选择范围是8.2k W~20k W, C选择范围是0.01m F~0.22m F, E应为 (1.5~1.8) Vth。数值小的电容器振荡频率较高, 也有较高的频率灵敏度, 电源电压的范围较窄;数值较大的电容器振荡频率较低, 频率灵敏度也较低, 但电源电压范围宽。

5 光敏Z-元件特性与应用电路总结

光敏Z-元件的伏安特性与温敏Z-元件的伏安特性是极为相近的, 前者的光特性与后者的温度特性也非常相似。

Z-元件的特性及应用电路可以概括为:一个特殊的点, 即阈值点P (Vth, Ith) , 该点的电压灵敏度为负, 电流灵敏度为正。有二个稳定的工作区, 即高阻M1区, 和低阻M3区。在VZ

上述三个基本应用电路参看表2-1、表2-2、表2-3。表2-4是表2-1中RL与Z-元件互换位置后构成的正阶跃开关电路与输出信号波形;表2-5是表2-2中RL与Z-元件互换位置后构成的NTC电路。